CN1127440A - 洗衣机能使用的线性电机 - Google Patents

Abstract

一种能代替环形定子而使2个以上的定子片分离配置并能节省电机的生产成本而使控制性提高的线性电机。

本发明的线性电机备有2个内侧转子和外侧转子，并由能提供磁通给各转子的多个定子片构成。外侧转子和内侧转子各自与洗衣机的脉动器和脱水槽直接结合，不要其它动力传递装置。

Description

洗衣机能使用的线性电机

本发明涉及洗衣机能使用的线性电机(linear motor)。更详细地说是涉及有多个定子片来代替环形定子的线性电机和应用上述线性电机的洗衣机。

通常，大部分洗衣机都通过齿轮箱由感应电动机驱动。电机的回转力通过皮带或齿轮箱传递给脉动器(pulsator)和脱水槽，在洗衣和脱水时能变换成不同的齿轮减速比。可是，洗衣机的重心和回转体的轴不一致时会引起振动，电机的回转力通过皮带或齿轮等传递会使动力损失较多。同样，已有技术的洗衣机驱动方式使用着为了驱动电机的另外变换器(inverter)。

在这样已有技术的洗衣机中，由于要使用复杂的齿轮，所以构造复杂，由此也增加制造费用，重心偏离回转轴也会使振动和噪音发生的可能性增加。由于振动，会使变换器等电子线路容易产生故障，为了防止此事就有必须使用高价变换器的问题。

为了解决上述问题，开发出不使用齿轮箱或皮带之类的动力传递装置而使洗衣机的脉动器和转筒(drum)轴与电机直接结合的电机直接结合式洗衣机。由于电机与回转体直接结合，使洗衣机的重心和该回转体的回转轴一致。因此，能确保机构的稳定性，使振动和噪音最小化。由于这样使振动减少，因而能使驱动电路、控制电路等的电子线路的故障减少。

特别是为了代替在转子上卷绕激磁线圈的已有技术的电机而在环形定子上卷绕激磁线圈，通过在定子环内转子回转的电机的开发，对上述电机直接结合的洗衣机的出现有用。

然而，随着最近洗衣机逐渐增多的趋势，要求输出大功率的电机。由于输出大功率就使电机变大，这样就不能使用洗衣机内的充分空间。同样，为了制造大的电机就必须有大的定子环，这就引起生产困难，价格提高。

本发明涉及为了解决上述问题而提出的线性电机。通过将已有技术的环形定子分成多个定子片而配置，从而能适用于大电机。与已有技术的电机相比，是转矩不受损害、生产容易、单价低廉的电机。转子在各定子片组成的圆内回转。

根据本发明的一个特征，所提供的线性电机是由卷绕产生磁通的线圈的至少2个以上的外侧定子片、

位于上述外侧定子片的内侧并由上述外侧定子片的激磁而回转的外侧转子、

位于上述外侧转子内侧并与上述外侧转子分开地回转的内侧转子、

位于上述内侧转子内侧并卷绕提供磁通给上述内侧转子的线圈的至少2个以上的内侧定子片构成。

根据本发明的其它特征，在有盛放被洗物品的洗濯槽、在上述洗濯槽内部设置并搅拌被洗物的脉动器和在上述洗濯槽内部设置并使上述洗濯过的洗濯物脱水的脱水槽的洗衣机中，提供一种线性电机与上述脉动器和上述脱水槽结合的洗衣机，该线性电机是由卷绕产生磁通的线圈的至少2个以上的外侧定子片、在上述外侧定子片的内侧由上述外侧定子片激磁而回转的外侧转子、在上述外侧转子的内侧并与上述外侧转子分开地回转的内侧转子、位于上述内侧转子的内侧并卷绕提供磁通给内侧转子的线圈的至少2个以上的内侧定子片和使上述外侧转子和内侧转子的回转轴同轴地结合的衬套(hub)构成。

图1是本发明线性电机转子的剖面图，

图2是本发明线性电机的外侧定子片内的1个的概略平面图；

图3是本发明线性电机的内侧定子片内的1个的概略的部分平面图；

图4是为代替图3所示的内侧定子片而设置环形定子的形状图；

图5是在内侧或外侧定子片的缝隙卷绕的卷线形状图；

图6是2个外侧定子片的双极线性电机的剖面图；

图7是2个外侧定子片的双极线性电机的平面图；

图8是3个外侧定子片的三极线性电机的剖面图；

图9是3个外侧定了片的三极线性电机的平面图；

图10是提供本发明线性电机的洗衣机的概念图；

图11是提供本发明线性电机的洗衣机的概念图；

图12是说明本发明线性电机的动作原理的概念图。

下面，参照附图，详细说明本发明线性电机的实施例。

图1是概略地表示本发明线性电机的转子的剖面图。圆盘形转子(10)由与2个定子(未图示)结合的双重结构的转子，即内侧转子(12)和外侧转子(14)构成。在内侧转子(12)的中心部连接轴(16)。

如后面所述，在洗衣机使用时，该轴(16)与洗衣机的脉动器轴整体地连接。上述内侧转子(12)和外侧转子(14)被设计成相互以不同速度回转。在本发明中外侧转子(14)的速度比内侧转子(12)的速度快。

内、外侧转子(12、14)由加强塑料制造。在转子(12、14)的表面复盖带磁性后铁板(back iron plate)(12a、14a)和铝板(12b、14b)。这儿，各转子(12、14)的直径由后面说明的回转速度和τ/D决定。

图2表示在图1所示的外侧转子(14)的外侧所设置的外侧定子片(20)。从图2可知线圈缝隙(slot)(22)位于定子片(20)的内侧。在上述缝隙(22)卷绕着供给各极激磁电磁的线圈。极距(pole pitch)和缝隙(22)的数量由所要的规格(specification)决定。例如，在单相电源场合2个缝隙(22)组成1个极距。而且，根据要求的输出功率可以增减上述定子片的数量，根据电机的输出功率和大小决定定子片的大小。

图3表示在图1所示的内侧转子(12)内所设置的内侧定子片(30)。上述内侧定子片(30)内也有卷绕线圈的缝隙(32)。极距和缝隙的数量也由所要求的规格决定。例如，单相电源场合2个缝隙组成1个极距，与三相电源连接的场合3个缝隙组成1个极距。根据所要求的输出功率可以增减上述定子片的数量，根据电机的输出功率和大小决定定子片的大小。

图4表示为代替图3所示内侧定子片(30)而设置的定子(40)。在内侧转子(12)的直径小的电机场合，由于配置多片内侧定子反而不经济，所以将环形定子作为内侧定子而使用。

图5表示在图3所示的内侧定子片(30)上卷绕线圈(50)的情况。为了使电机的尺寸最小化，希望制成螺旋管形线圈(Toroidal Winding)来代替同心圆的线圈(concentricWinding)。图2所示的外侧定子(20)也同样希望制成螺旋管形线圈。

图6和图7是2个外侧定子片的双极线性电机的构造。在此，2个定子(30)对于转子的中心以180°配置，以便相互成几何学地对称。因此，向着法线方向的应力抵消，切线方向的回转力加倍。

图8和图9是表示3个外侧定子片实施例的组装图，3个定子(30)对于转子的中心以120°的角度配置，以便相互成几何对称。因此，向着法线方向的应力抵消，切线方向的回转力加倍。

图面没有表示，但设计者可以追求上述定子片。各定子片必须相对转子中心成几何对称地配置。

下面，详细说明本发明线性电机的动作原理。如图12所示，在定子和转子的任意点P和Q，P点的单位微小电流产生磁场。该磁场是交变磁场的场合，Q点产生感应电流。这时，点P的磁场若是相对时间的移动磁场，则使该移动磁场交链的力会波及转子。该力使转子回转。

该理论式的展开如下面那样。设由图12P点的微小电流面引起的Q点磁通密度为B(Wb/m²)，则矢量(vector)B是圆柱座标系，B＝B_1R·a_R＋B_1Φ·a_Φ矢量磁场的电位A用下式表示。 $A=\frac{\mathrm{\μI}}{4\mathrm{\π}}{\∫}_c\frac{d1}{R}$

在B和A之间，由于有B＝·A的关系，求出Q点的由P点引起的磁通密度。

由转子电流引起的磁场是由移相(phase shift)引起的移动磁场。设极距为τ，则同步速度(V_s)是

V_s＝2τf

设转子的直径为D，轴的转速为N(rpm)，则机械的圆周回转速度(V_m)是 $V_m=\frac{\mathrm{\πDN}}{60}(m/\sec )$ 这时，由与定子的移动磁场交链的相对速度(V_s-V_m)使在转子中流动着感应电流，这时的关系式变成

J₂＝σ(E＋V_r×B1) $=\mathrm{\σ}(-\frac{\mathrm{\δA}}{\mathrm{\δt}}+(V_s-V_m)\·a_{\mathrm{\φ}}\×$ B_1r·a_r＋B_1Φ·a_Φ)

通过电流密度(J)对面积的积分求出感应电流(I)。

上式中前项是交变磁场的时间变化而引起的成分，后项是移动磁场的交链而引起的成分。交变磁场产生的力是两个方向的力，但移动磁场的成分是单方向力。因此，若再在上述电流式中汇总移动磁场成分，则

J₂＝σ(V_r·B_1r·a_z)即，感应电流通常由有与定子电流相反方向的交变磁场的成分和与磁场方向有关的移动磁场的成分即矢量合成而组成。

由该电流和Q点的磁场产生的力是

F_q＝J₂×B₁

      ＝σV_r·B_1r·a_z×(B_1Φ·a_1Φ＋

        B_1r·a_r)

      ＝σ(V_s-V_m)·B_1r·B_1Φ·a_r＋σ $(V_s-V_m)\·B_{1r}^2\·a_{\mathrm{\Φ}}$

＝F_r·a_r＋F_Φ·a_Φ将定子电流变换成表面(sheet)电流时，若将全体定子长度从-1₁变为1₁，则定子作用在Q点的全体力变成

F＝F_(r1)d_r1若将定子电流引起的磁场所波及转子的距离从-1₂变为1₂，则相对于转子全体的力变成

F＝F_Q(r2)d_r2

＝F_q(r1，r2)d_r1d_r2

＝F_r＋F_Φ(N)

式中，F_r是向着转子轴方向(法线方向)的力(radial force)，F_Φ是切线成分，即表示轴在中心回转的力。 $F_r=\mathrm{\σ}(V_s-V_m)\·B_{1R}^2$ 由上式所表示的法线方向的作用力，由于是相对于转子的适宜面的应力，为了使其抵消而将多个定子片对称地配置，使F_r的矢量合成为零那样地设计。即，如图6至图9那样地配置2个、3个定子片，成比例地增加回转力(F_Φ)，法线方向的力(F_r)就相互抵消。

若圆盘形转子的直径是D_(m)，F_Φ的回转力，即转矩以下式表示， $T=\frac{D}{2}\·F_{\mathrm{\Φ}}(N/m)$ 回转轴的输出功率是(P_m) $P_m={\mathrm{\ω}}_{m}T=\frac{2\mathrm{\πN}}{60}\·T$

考察转子直径和定子极矩的关系。洗衣机(1)在洗衣时应以脉动器或搅拦装置(agitator)的回转速度或转筒的回转速度运转，(2)在脱水时应以脱水槽的回转速度运转。例如，脉动器形洗衣机的场合，脉动器的回转速度是134rpm，脱水槽的回转速度是780rpm。

符合商用频率(60Hz)而设计时，设脉动器的回转速度为N₁(rpm)、脱水槽的回转速度为N₂(rpm)、图9那样的圆盘形转子的直径为D(m)、图3那样的定子片极矩为τ(m)，则圆盘形转子的回转速度是

因此，定子磁场的同步速度是V_s＝2τf_m＝120τ(m/sec)将滑率(slip)称S时，停止时S＝1，脱水时S＝15％程度。因移动磁场而运动的转子圆周的回转速度是V_m＝(1-S)V_s＝(1-S)

    120τ(m/sec)若结合上述公式，则下述关系成立 因而，τ/D的比率是下式。

另外，在洗衣和脱水时为了得到各自不同的τ/D，能并用极矩的控制和转子的直径变换方法。如图1那样将转子构造制成双重结构，使用各自不同板矩的定子芯(core)。即，在回转速度要快的脱水时，τ/D比率大的内侧定子被激磁并回转，在回转速度要慢的洗衣时，τ/D比率小的外侧定子使转子回转。

如前述所示，转矩由于与转子直径(D)成比例地增减，为了从输出相同力的线性电机的定子中得到尽可能大的转矩，所以可以得到τ/D比率允许的最大直径。

洗衣槽的直径约为48cm场合，设各定子片的圆直径应在48cm以下，若考虑脱水槽的直径，则希望是35cm左右。假定转子直径为30cm时，如图8和图9那样，若要求出定子和转子的极矩，

(1)在洗衣时的公式 $\frac{\mathrm{\τ}}{D}=\frac{\mathrm{\π}{N}_1}{7200(1-S)}$ 中，设S＝0.2，N₁＝134rpm，求得τ＝22(mm)。因而，若使用单相电源，设字子片为3个，则外侧定子的长度变成15.7cm，角度约为60°。图2表示外侧定子片的剖面形状。

(2)在脱水时的公式 $\frac{\mathrm{\τ}}{D}=\frac{\mathrm{\π}{N}_2}{7200(1-S)}$ 中，设S＝0.15，N₂＝800rpm，

如果D＝15cm，则τ＝0.41D＝6cm，

如果D＝10cm，则τ＝0.41D＝4cm，

如果D＝8cm，则τ＝0.41D＝3.3cm。

内侧定子片(30)的基本形状如图3所示，根据和外侧定子片(20)相同的原理进行说明。上述内侧定子片(30)也如外侧定子片那样，根据所要求的输出功率决定定子片的数量。设内侧转子的直径为15.729cm时，若配置4个定子片，因为如图4那样构成，所以设置像环形的定子。

图10和图11是设置本发明的线性电机的脉动器形洗衣机的概念图。如图示那样，线性电机的外侧转子(14)和内侧转子(12)各自和内侧洗衣槽(102)和脉动器(104)的轴(106)结合。图10中参照符号(108)是表示本发明的线性电机。

若用1个电机进行洗衣和脱水，则必需有转换洗衣状态和脱水状态的装置，这儿能使用机械的离合器(clutch)。其结构可以是各式各样的，该动作可根据螺线管线圈(Solenoid)和排水阀用的同步电机进行。

最后，使电机停止的方法有电制动和机械制动。电制动是与回转方向相反地外加电压的反相制动法，机械制动是使转子和外侧脱水槽物理地摩擦而消耗运动能量的方法。

本发明的线性电机有与有大直径环形定子的线性电机相同性能，同时还能节约生产成本，使生产率提高。因而，能适用于如洗衣机那样有大回转体的制品。因为洗衣时和脱水时的电机回转速度可设计成任意可变的，不要其它的动力传递装置，所以能节省洗衣机的制造费用。而且，由于电机轴和洗衣机轴直接结合，所以能使振动最小化。

Claims (33)

1.一种线性电机，其特征是，该电机是由卷绕发生磁通的线圈的至少2个以上的外侧定子片、

位于上述外侧定子片的内侧并由上述外侧定子片的激磁而回转的外侧转子、

位于上述外侧转子的内侧并与上述外侧转子分开地回转的内侧转子、

位于上述内侧转子的内侧并卷绕提供磁通给上述内侧转子的线圈的至少2个以上的内侧定子片构成。

2.如权利要求1所述的线性电机，其特征是，上述外侧定子片为2个。

3.如权利要求1所述的线性电机，其特征是，上述外侧定子片为3个。

4.如权利要求1所述的线性电机，其特征是，上述外侧定子片为4个。

5.如权利要求1所述的线性电机，其特征是，上述内侧定子片为2个。

6.如权利要求1所述的线性电机，其特征是，上述内侧定子片为3个。

7.如权利要求1所述的线性电机，其特征是，上述内侧定子片为4个。

8.如权利要求1所述的线性电机，其特征是，上述内侧定子片是环形的。

9.如权利要求1至4中任何一项所述的线性电机，其特征是，配置各外侧定子片时应使上述各外侧定子片的中心轴与上述外侧转子的回转中心形成的角度全部相同。

10.如权利要求2所述的线性电机，其特征是，上述各外侧定子片的中心轴与上述外侧转子的回转中心形成的角度全都是180°。

11.如权利要求3所述的线性电机，其特征是，上述各外侧定子片的中心轴与上述外侧转子的回转中心形成的角度全都是120°。

12.如权利要求4所述的线性电机，其特征是，上述各外侧定子片的中心轴与上述外侧转子的回转中心形成的角度全都是90°。

13.如权利要求1或5至7中任何一项所述的线性电机，其特征是，配置各内侧定子片时应使上述各内侧定子片的中心轴与上述内侧转子的回转中心形成的角度全都相同。

14.如权利要求5所述的线性电机，其特征是，上述各内侧定子片的中心轴与上述内侧转子的回转中心形成的角度全都是180°。

15.如权利要求6所述的线性电机，其特征是，上述各内侧定子片的中心轴与上述内侧转子的回转中心形成的角度全都是120°。

16.如权利要求7所述的线性电机，其特征是，上述各内侧定子片的中心轴与上述内侧转子的回转中心形成的角度全都是90°。

17.一种洗衣机，备有盛放被洗衣物的洗衣槽、在上述洗衣槽内部设置的搅拌被洗衣服的脉动器和在上述洗衣槽内部设置的使上述洗濯过的被洗衣物脱水的脱水槽，其特征是，线性电机是由卷绕发生磁通的线圈的至少2个以上外侧定子片、

在上述外侧定子片的内侧由上述外侧定子片的激磁而回转的外侧转子、

在上述外侧转子的内侧与上述外侧转子分开地回转的内侧转子、

位于上述内侧转子的内侧并卷绕提供磁通给上述内侧转子的线圈的至少2个以上的内侧定子片、

和使上述外侧转子和内侧转子的回转轴同轴地结合的衬套构成，线性电机与上述和上述脱水槽结合。

18.如权利要求17所述的洗衣机，其特征是，还具备离合器机构，以便使上述线性电机的衬套在被洗濯物搅拌时与上述脉动器和外侧转子啮合，而在脱水时上述脱水槽的回转轴与内侧转子啮合。

19.如权利要求17所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的外侧定子片为2个。

20.如权利要求17所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的外侧定子片为3个。

21.如权利要求17所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的外侧定子片为4个。

22.如权利要求17所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的内侧定子片为2个。

23.如权利要求17所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的内侧定子片为3个。

24.如权利要求17所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的内侧定子片为4个。

25.如权利要求17所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的内侧定子片是环形的。

26.如权利要求17或19至21项中任何一项所述的洗衣机，其特征是，配置各外侧定子片时应使上述线性电机的各外侧定子片的中心轴和外侧转子的回转中心形成的角度全都相同。

27.如权利要求19所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的各外侧定子片的中心轴和外侧转子的回转中心形成的角度全都是180°。

28.如权利要求20所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的各外侧定子片的中心轴和外侧转子的回转中心形成的角度全都是120°。

29.如权利要求21所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的各外侧定子片的中心轴和外侧转子的回转中心形成的角度全都是90°。

30.如权利要求17或22至24项中任何一项所述的洗衣机，其特征是，配置各内侧定子片时应使上述线性电机的各内侧定子片的中心轴和内侧转子的回转中心形成的角度全都相同。

31.如权利要求22所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的各内侧定子片的中心轴和内侧转子的回转中心形成的角度全都是180°。

32.如权利要求23所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的各内侧定子片的中心轴和内侧转子的回转中心形成的角度全都是120°。

33.如权利要求24所述的洗衣机，其特征是，上述线性电机的各内侧定子片的中心轴和内侧转子的回转中心形成的角度全都是90°。

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